（机械工程专业论文）beiren300胶印机噪声测试及结构优化.pdf

摘要 摘要 北人n 3 0 0 对开四色平版胶印机在高速印刷时机体振动强烈、噪声严重、难 以保证高的印刷质量等问题，需要把整机的最大噪声声压级控制在8 5 d b ( a ) 以下， 从而接近国外同类胶印机的水平作为研究的目标。 论文以噪声与振动控制的理论为依据，结合胶印机的特点讨论了北人n 3 0 0 胶印机这样多自由度系统的噪声与振动问题，并应用有限元理论和a n s y s 分析软 件完成了b e i r e n 3 0 0 胶印机印刷单元主结构的减振降噪设计工作。 研究首先对北人n 3 0 0 胶印机整机进行了噪声声压级的测试，确定了主要的 发声部位。又通过对主要发声部位的噪声频谱分析得出结论：主要噪声是由墙板 共振引起的。接着从理论方面对印刷单元进行模态分析，得出了印刷机系统的最 低阶固有频率为2 6 7h z ，而印刷时胶皮滚筒、印版滚筒等的转动频率为1 1 1 h z 一4 1 3 h z ，这就是振动激励力变化的频率范围，印刷时激励力频率与系统的低阶 固有频率( 2 6 7 h z ) 有重合，因此共振是不可避免的，由于共振而导致机体振动强 烈、噪声加剧，这就从理论计算上证实了北人n 3 0 0 胶印机在印刷时确实发生了 共振现象，进而提出了把避免共振作为胶印机减振降噪的主要措施，并通过提高 系统固有频率的方法来实现，即把系统的低阶固有频率提高1 5 倍以上，避免共 振现象的发生。因此，通过对主要结构的多种修改方案的模态分析和对比，考察 它们对系统固有频率的影响，从而确定了主要零件的结构修改方案，完成了主结 构的改进设计，最后通过模念分析，计算出改进后的印刷单元低阶固有频率已提 高达1 5 倍以上，保证了北人n 3 0 0 胶印机在印刷速度为4 0 0 0 张d , 时一1 5 0 0 0 张小时范围内不发生共振，从而实现了把整机的最大噪声声压级控制在8 5 d b ( a ) 以下的目标。 关键词胶印机；噪声；有限元分析 北京工业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c t u a lp r i n t i n gs i t u a t i o no f b e i r e n 3 0 0s h o w s ，t h a tv i b r a t i o na n dn o i s ea r et h e s e r i o u sp r o b l e m sd u r i n gh i g h s p e e dr u n n i n g t h e r e f o r e i tw a sh a r dt o g u a r a n t e et h e p r i n t e dp r o d u c tw i t hg o o dq u a l i t y t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i ss u b j e c ta i m sa t c o n t r o l l i n gt h en o i s eu n d e r8 5 d b ( a ) ，t h e r e f o r e ，w ec a r lc a t c hu pw i t ht h es a l f l ek i n do f i n t e r n a t i o n a lp r i n t i n gm a c h i n e s b a s e do nt h ee n g e n d e r i n gp r i n c i p l eo fv i b r a t i o na n dn o i s e 、r e d u c i n gm e t h o do f n o i s e a n da l s ow “ht h er e s e a r c ho nt h ev i b r a t i o na n dn o i s ep r o b l e m so f m u l t i d i m e n s i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n da n s y ss o f t w a r e ，t h i ss u b j e c t s u c c e s s f u l l yf i n i s h e dt h er e d e s i g nw o r ka b o u tr e d u c i n gv i b r a t i o na n dn o i s eo f t h em a i n s t r u c t u r eo f t h eb e i r e n 3 0 0 p r i n t i n gu n i t t h i sr e s e a r c h ，f i r s t l y , f i n i s h e dt h es o u n dl e v e lt e s to ft h ew h o l ep r i n t i n gm a c h i n e b e i r e n 3 0 0 ，a n dg o tt h ee x a c tn o i s ep a r t s t h e nt h r o u g ht h en o i s es p e c t r u ma n a l y s i s o ft h em a i nn o i s ep a r t ，w eg e tt h ef i n a lc o n c l u s i o n ：t h en o i s ea r em a i n l yc a u s e db y f r a m es y m p a t h e t i cv i b r a t i o n t h e nf o l l o w e db yp r i n t i n gu n i tm o d e la n a l y s i s ，w eg e tt h e l o wi n h e r e n tf r e q u e n c yo f w h o l es y s t e mi s2 6 7h z t h er o t a t i o n 丘明u e l l c yo f b l a n k e t c y l i n d e r sa n df r a m ec y l i n d e r sg o e sf r o m1 1 l h zt o4 1 3 h z t h i si st h ev a r y i n gr a n g e o fv i b r a t i o nb e a t i n gf o r c e i ti su n a v o i d a b l et h a tt h es y m p a t h e t i cv i b r a t i o nw i l lh a p p e n f o rt h el o wi n h e r e n tf r e q u e n c yi sa m o n gt h er a n g e t h ev i b r a t i o na n dn o i s ea r es e r i o u s b e c a u s eo ft h es y m p a m e t i cv i b r a t i o n t h u sw eh a v et h e o r e t i c a l l yc o n f i r m e dt h a tt h e r e i ss y m p a t h e t i cv i b r a t i o no nt h ep r i n t i n gm a c h i n eb e i r e n 3 0 0 t h e nw eo f f e rt oa v o i d s y m p a t h e t i cv i b r a t i o nt or e d u c et h en o i s eb et h em a i nm e a s u r e w eh o p et oi n c r e a s et h e i n h e r e n tf r e q u e n c yt oa v o i ds y m p a t h e t i cv i b r a t i o n i ti st oa d d1 5t i m e s t h e r e f o r e ， t h o u g hm o d e la n a l y s i sa n dc o m p a r eo fm a n ym a i ns t r u c t u r em o d i f y i n gp l a n s ，s e e i n g a b o u tt h ea 疵c t so nt h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo fs y s t e m ，t h e nw eh a v ec o n f i r m e dt h e s n l l c t i l r em o d i f y i n gp l a n , f i n i s h e dt h ea d v a n c e dd e s i g no fm a i ns t r u c t u r e f i n a l l y , t h o u g hm o d e la n a l y s i s ，c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h el o wi n h e r e n tf r e q u e n c yh a sa l r e a d y i n c r e a s e d1 5t i m e st h a nb e f o r e t h u sm a k es u r et h a tw h i l ep r i n t i n gs p e e dg o e sf r o m 4 0 0 0 s h e e t h - 一1 5 0 0 0 s h e e t h ，t h e r ei sn os y m p a t h e t i cv i b r a t i o n s ow er e a l i z e dt h a tt h e m a xn o i s es o u n d1 e v e lh a db e e nc o n t r o l l e du n d e r8 5 d b ( a 1 k e yw o r d s o f f s e tp r e s s ；n o i s e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员对本研究所做的任何工作都 已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 签名：叠墅塞延日期：勉墨生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名姓 导师签名日期：垫堕生 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的立项背景 f i i 前国际上多色胶印机产品的主要特色是高速、多功能、自动化、系列化、 数字化，其中速度是高档胶印机最重要的指标之一，胶印机高速印刷时的平稳性 与低噪声则是胶印机制造商设计、制造和技术水平的综合体现“。 北人集团是我国生产印刷机的基地，它生产的印刷机在全国处于领先地位。 现在国内印刷行业使用的胶印机7 0 s 都是由北人生产的，北人生产的胶印机还出 口国外。 印刷过程是受很多因素相互作用、制约的过程，其中最重要的因素有：主要 工艺材料的性质和它们参与相互作用的条件( 印刷运动的l 何原理、压力、速度、 干燥装置的存在等) 以及不断变化的外界环境( 影响印刷质量的各种振动，包括 周围环境的振动，电机的振动，以及印刷机本身由于运转而引发的振动等等) 。 实践表明，印刷机高速运转时对机体产生的振动将会使印刷机的印刷质量受到很 大影响。印刷机高速印刷时的稳定性，直接影响到印刷机印品质量的好坏。印刷 机的动态特性对高速工作平稳性的影响是致关重要的。b e i r e n3 0 0 胶印机在高速 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 张小时印刷时噪声和振动明显加剧，严重影响印刷质量：f f i t 作环 境。噪声和振动测试表明，b e i r e n3 0 0 胶印机虽是国内生产的性能最先进的胶印 机产品，但与国际著名的同类品牌相比在噪声和抗振性方面还存在明显的差距， 例如与德国的海德宝速霸c d1 0 2 印刷机，海德宝速霸m s7 4 胶印机， 罗兰 2 0 0 3 0 0 胶印机，高宝r a p i d a1 8 5 ，日本的小森2 6 2 8 胶印机、小森4 0 s p 4 4 s p 胶印机、三菱1 0 0 0 3 0 0 0 胶印机等机型相比”4 。“，1 5 0 0 0 张小时印刷时，噪 声声压级大了约5 d b ( a ) 以上。已经超过我国规定的8 5 d b ( a ) 的标准“，噪声过大 会恶化工作环境影响健康，振动过大会影响印刷质量，从而影响产品的市场竞争 力。 为了适应当今激烈的市场竞争，提高围产胶印机的质量，缩小与圉际同类名 牌产品的差距，提高市场竞争力。如何完成b e i r e n 3 0 0 胶印机结构的减振降噪没 计是我公司当前生产中面临的迫切课题，进行b e i r e n 3 0 0 胶印机噪声测试与降噪 研究是势在必行的。 北京工业大学丁程硕十学位论文 1 2b e lr e n 3 0 0 胶印机简介 b e i r e n 3 0 0 胶印机是北人印刷机械股份有限公司生产的对开四色平版胶印 机，它在诸多方面达到了先进水平，采用了自动化操纵方法，使印刷时间缩短， e p , 丽j 质量得到了保证，使用范围更广泛，是国内生产的性能最好的对开明色平版 胶印机，如图卜i 所示。 胶印机的基本组成部件由印刷单元，输墨单元和湿润单冗等组成。输墨单元 由墨斗、墨辊、串墨辊和着墨辊组成。墨辊转动时把油墨沾在其e ，经中间传墨 辊把油墨均匀地传给印版滚筒。印刷的过程就是在输墨单元和湿润单元提供合适 的油墨和水的条件下，通过印刷单元，将印版上的图文经过胶辊转印到纸张上的 过程“。 图卜lb e i r e n 3 0 0 胶印机 f i g u r e1 1 b e i r e n3 0 0o f f s e tp r e s s 1 2 1b e l r e n 3 0 0 的技术参数 纸张尺寸为7 2 0 x 1 0 4 0 n l m 2 ，厚度为0 0 6 0 6 m m ，印刷速度为1 5 0 0 0 张小时，给纸单元纸堆最大高度为1 3 米，收纸单元纸堆最大高度为1 2 米。 1 2 2b e l r e n 3 0 0 的基础配置 整机由中央控制台、给纸单元、印刷单元、湿润单元、输墨单元、上光单元 和收纸单元等组成。全机町由2 8 个印刷色组组成。 2 第1 幸绪论 1 3 国内外噪声与振动控制方法 1 3 1 传统的噪声控制方法 噪声污染是一种物理性污染，它的特点是局部性的和无后效应的。声源停止 辐射，噪声污染就消失了。在任何噪声环境中，声源发出噪声并向外界辐射的过 程可以用如图卜2 所示的示意图简单描述。噪声源、传播途径和接收者3 个环节 是噪声控制中必须考虑的，相应的措施包括：声源控制、传播途径控制和保护接 收者3 个方面。主要措施是“”： ( 1 ) 声源控制声源控制是噪声控制中最根本和最有效的手段，也是近年来最 受重视的问题。研究各种声源的发生机理、控制和降低噪声的发生是根本性措旎。 目前在声源的控制上主要采用两种办法：一是改进设备结构，提高加工和装配质 量，以降低声源的辐射声功率；二是采取隔振、阻尼处理等减小振动能量传递或 减小振动。 噪声源传播途径接收者 甾卜2 噪声的传播 f i g u r el 一2 t h et r a n s m i t t l n go fy a w p ( 2 ) 传播途径中的控制传播途径中的控制是最常用的方法，因为当机器或工 程已经完成后，再从声源上来控制就受到限制了，但从噪声的传播途径上控制却 是大有可为、效果明显。这方面的方法有很多，如： 隔声、隔振处理、隔声屏障、隔声间的使用等都是有效措施。 吸声处理是降低室内噪声的一种有效措施。 消声是种用于降低管道中噪声的有效方法，当管道中的声波通过不同消 声器时，通过吸声或共振吸声或部分声能被反射等作用而降低管道中的噪声。 ( 3 ) 对接收者的保护对接收者的保护也是一个重要手段，这也是环境保护的 目标。接收者可以是人，也可以是灵敏的设备( 如电子显微镜、激光器、灵敏仪 器等) 。工人可以佩带护耳器或在隔声间操作等加以保护；仪器设备可以采取隔 北京工业大学工程硕士学位论文 声、隔振设计等手段加以保护。 1 3 2 传统的振动控制方法 振动发声，这是人所共知的常识，振动和噪声之间具有不可分割的联系，一 般而言，减小振动就可以降低噪声，环境中存在着各种各样的振动现象。振动是 噪声的主要来源，同时振动还通过基础传向各方，振动会引起人体内部器官的振 动或共振，从而导致疾病的发生。振动对人体造成的危害，严重时会影响人们的 生命安全，因此振动污染是一种不可忽略的公害，目前也受到普遍重视。振动控 制过程与噪声控制类似，但比较复杂。从不同的观点出发，已形成不同的控制分 类方法，且广泛采用的振动控制方法如下“3 ：控制振动源振动，隔振，使 振动传输不出去，从而消除振动的不良影响。具体说来，可以有以下几种方法实 现隔振：采用大型基础，防振沟，采用隔振元件，吸振，阻振，在受控 对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量使响应最小，也常用外加阻尼材料 的方法来增大阻尼。 1 3 3 噪声与振动控制方法的新发展 传统的噪声与振动控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主，由文献 1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 可知：这些控制方法的机理在于：通过噪声声波与声学材料或声学 结构的相互作用消耗声能，从而达到降低噪声的目的，属于无源或被动式的控制 方法，可称为“无源”噪声控制。吸声、隔声、消声、隔振等方面的研究是噪声 控制领域中不可缺少的组成部分，至今一直受到国内、外噪声研究工作者的重视。 然而不能不指出的是，此类控制措施并未涉及到机电设备噪声源的改造，因此只 是作为在辐射噪声既成事实之后的某种补救方法，即使措施是有效的。然而从机 电设备降噪角度来看不能认为是积极的。为从根本上解决噪声问题，许多噪声研 究人员致力于研究各种降低机电设备噪声的课题，努力寻求机电设备减振与降噪 的新途径，通过二十多年的不懈努力，已取得了不少富有实践意义的研究成果。 通过各种有效的声与振动的测量手段、运用近代信号分析仪器，识别出该设备的 主要噪声源，由此探寻它的发声机理和确定如何降噪的措旌，其中修改结构就是 一个高技术手段，目前非常引人注目。它实际上是通过修改受控对象的动力学特 性参数使振动满足预定的要求，不需要附加任何子系统的振动控制方法。 国内外白七十年代以来，噪声控制工程以从采用传统的隔声、吸声和消声办 4 法，转向对机械声源识别和研究，并展开丁开发低噪声设计技术的前景。这不仅 为从根本上控制机械噪声指出了方向，并兼有提高机器性能、节约能源等优点。 在1 9 8 1 年的一次国际噪声控制年会上，当届主席丹麦声学家英格斯莱夫认为 8 0 年代噪声控制的研究目标应当是“n o i s er e d u c t i o nb yd e s i g n ”，其意是在技 术设计阶段应当把机电设备的噪声，如同其它的性能参数那样作为一个设计指 标，能在此阶段作出预报，并在设计图纸上加以控制。之所以提出这一任务，主 要在于计算机应用技术突飞猛进，信号分析理论日益完善，测量手段的发展也很 迅速，机电设备的结构振动计算已有多种方法可供选用。更重要的是机电设备的 降噪研究已有坚实的基础和丰富的成功经验。经过努力，可以对机电设备的噪声 在设计阶段作出预报。事实上，7 0 年代末在欧洲已经发展了预报船舶仓室噪声的 实用计算方法及程序，近年来。国内也有许多这样的应用研究报道。 目前国内、外对机器噪声控制方法很多，下面仅举几项现代工作机械采取的 具体措施： 从设计参数控制齿轮噪声；从加工和装配精度控制齿轮噪声；从控制齿轮 噪声工作参数控制齿轮噪声；从齿轮的材料和热处理控制齿轮噪声。 轴承类型；保持架精度；预紧力：轴承精度和形状误差。 减少凸轮机构中的作用力：选择合理的推杆运动规律；选择合理的推杆滚 予半径和凸轮廓线的曲率半径。 低噪声齿轮泵；控制阀噪声。 系统压力脉动的衰减；系统机械结构振动的阻尼j 液压装置噪声的吸收和 隔离。 低噪声模具技术：减振缓冲器。 1 4 印刷机减振降噪的原有措施 目前胶印机主要采取结构优化设计、吸声、隔声、消声、隔振与阻尼减振等 方面的控制措旌，具体如下： 整体机座；机座采用加强筋；控制滚筒的质量；选用刚度大的轴承；增大 支承座的刚度；从设计参数控制齿轮噪声；从加工和装配精度控制齿轮噪声：从 工作参数控制齿轮噪声；减少凸轮机构中的作用力；选择合理的推杆运动规律； 选择合理的推杆滚子半径和凸轮廓线的曲率半径。 北京工业大学工程硕上学位论文 在气动离合压系统中用消声器；选用装有消声器的空压机；选用低噪声的 气泵、风扇。 薄板振动吸声结构( 指胶印机上的护罩、盖板) ；厂房采用吸声建筑材料。 隔声罩( 指胶印机上的护罩、盖板、护板) ；机座与护罩之间用胶密封。 隔振器( 胶印机上广泛使用的金属弹簧) ；隔振垫( 胶印机牙垫上镶聚氨 脂) ；防振沟。 阻尼杆；雨淋式润滑( 指胶印机上的齿轮、旋转件等) ；采用铸铁齿轮( 铸 铁齿轮比钢齿轮的衰减性能好1 0 倍) ；热处理方法( 调质比淬火衰减性能好) 。 1 5 印刷机减振降噪的新途径 1 5 1 对胶印机噪声的进一步认识 振动是产生噪声的根本原因，降噪最根本的措施是控制振动，如果能有效地 减少胶印机工作时发出的振动，就可能达到降噪的目的。从这个意义上讲，降噪 的根本途径是减振。胶印机工作时各种激励力呈周期性变化，因此，在周期激励 力的作用下，胶印机的机体会产生较强的强迫振动。因此，我们可以从减少强迫 振动的角度探讨减振的途径，减小强迫振动的措施可概括为4 点：减小激励力； 提高结构的刚度；增加阻尼；控制结构的固有频率，避免共振。实际印刷 时的情况表明，b e i r e n 3 0 0 胶印机工作时在印刷速度为1 0 0 0 0 张d 时，胶印机 即产生明显的振动，在1 5 0 0 0 张d 时振动更加强烈，这种振动的加剧现象可能 就是结构共振现象，但需要通过振动测试或理论分析计算加以证明。b e i r e n 3 0 0 胶印机的印刷速度为4 0 0 0 张小时一1 5 0 0 0 张小时范围内无级变速，即印刷时， 胶皮滚筒、版滚筒等的转动频率为1 1 1 h z 一4 1 3 h z ，这就是振动激励力的周期变 化的频率范围。如果能证明b e i r e n 3 0 0 胶印机结构固有频率低于4 1 3 h z ，就说 明共振肯定存在。通过印刷单元有限元模态分析结果表明系统的最低阶固有频率 低于4 1 3 h z 。因此印刷时，激励力频率与系统的低阶固有频率重合，共振是不 可避免的。由于共振，机体突然产生强烈振动并导致噪声加剧。因此，我们必须 把避免共振作为b e i r e n 3 0 0 胶印机降噪减振的主要对策。我们可以采用提高或降 低固有频率的方法避免共振。胶印机设计理念在变化，直以来，印刷机结构的 设计多数是沿用外推法或类比法在经验的基础上进行设计，并选用一般的结构计 算方法，象材料力学、结构力学以及弹性力学等公式进行，并借助一定的试验方 第1 章绪论 法和测试技术的研究“。“。 二十世纪以来，国内、外的机器设计己进入自动化设计阶段。由于有了计算 机这种现代化的计算工具，发展了像有限元法这样全新的解决力学问题的通用计 算方法，即使很复杂的结构( 如飞机、机床等) 也不要作很多的简化，且计算速度 快、精度高。可以对现有结构进行分析，更重要的是可以进行综合分析。此外， 运用先进的测试技术和装置，已可对机器的关主零、部件进行动态性能试验现 在，设计图纸的可信程度、产品性能提高了，设计周期缩短了，针对我公司产品 b e i r e n 3 0 0 胶印机我们将采用现代设计方法，进行优化设计来减d 、b e i r e n 3 0 0 胶印 机在高速印刷时的噪声和振动问题。因b e i r e n 3 0 0 胶印机是一台非常复杂的大型 机器，研究整体对于现在的技术是有相当难度的。研究决定先对b e i r e n 3 0 0 胶印 机整机噪声进行测试分析；然后对b e i r e n 3 0 0 胶印机最重要的印刷单元进行抗振 性研究。日前胶印机减振降噪工作虽已取得一定成效，但仍未达到产品高性能、 高质量的理想要求，所以，我们对b e i r e n 3 0 0 胶印机除继续采取原有的控制措施 外，我们还将进行下面的研究工作，使b e i r e n 3 0 0 胶印机的质量跃上一个新的台 阶。 1 5 2 立项研究的来源 b e i r e n 3 0 0 胶印机在高速印刷时尚存在噪声过大和振动的问题。根据测试， b e i r e n 3 0 0 ( 整体机座) 在1 5 0 0 0 张小时印刷时噪声高达9 0 d b ( a ) 以上，而同类 型的德国海得堡对开四色平版胶印机噪声低于8 5 d b ( a ) 。振动和噪声过大会影响 印刷质量，恶化工作环境，影响机器的正常安全工作。如何解决b e i r e n 3 0 0 高速 印刷时存在的振动和噪声过大问题，是提高b e i r e n 3 0 0 胶印机质量的关键。因此， 北人印刷机械股份有限公司与北京工业大学合作立项研究，对b e i r e n 3 0 0 胶印机 整机噪声进行测试。 1 5 3 研究的目标 要把目前最大噪声声压级降低3 d b ( a ) 左右，即整机的最大噪声声压级控制 在8 5 d b ( a ) 以下，从而接近海德堡同类胶印机的水平，通过测试研究要分析并确 定b h r e n 3 0 0 胶印机高速印刷时振动与噪声过大的主要原因，为有针对性的采取 措施降低噪声奠定基础。 1 5 4 研究的主要内容 7 北京工业大学工程硕上学位论文 测定噪声声压级，测定主发声部位和方向； 测定高速印刷时主要噪声的频率特性，对主声源发声机理进行频谱分析； 为研究主声源发声机理进行噪声近声场测试分析； 关于b e z r e n 3 0 0 噪声源的分析； 提出降噪减振的实施步骤； 印刷单元振动特性的有限元分析； 结构优化方案的分析及改进。 1 6 国内外工程设计分析测试方法的发展 现代测试分析技术的发展为机械结构的振动测试与分析提供了可靠的技术 与手段。结构动态分析技术得到了飞速的发展，近二十年来，在理论研究、测试 技术和计算技术方面有很多代表性的成果“4 ： 1 6 1 在理论分析计算方面 是有限元分析方法的推广使用。有限元方法理论上非常严谨，通用性强，计 算精度高，目前已经不是专家们的研究课题，而是工程设计中的一个不可缺少的 重要的工具，每个机械工程设计人员都应该掌握这一工具。近年来随着计算机技 术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越 广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到 航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料 加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工：船舶、铁道、石化、 能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现 在以下几个方面：增加产品和工程的可靠性，在产品的设计阶段发现潜在的 问题，经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本，缩短产品投向 市场的时间，模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。 有限元法的应用在设计中主要用来解决3 类问题：稳态问题：如求结构在 静力作用下的静变形、静应力，流体的流场、压力、流速分析、温度场、热应力 分析等；特征值问题：如求振动结构的固有频率、振型分析等；瞬态问题： 如结构振动响应的计算等。 有限元法处理问题的基本方法是把复杂的机械结构离散化，再装配起来，得 第1 章绪论 到系统的动力学方程，可以求系统的位移? 速度、加速度、应力、系统的固有频 率和振型。随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计( c a d ) 技术日益成熟 与发展，有限元分析技术( f e m ) 已经成为进行诸如胶印机这样复杂的机械结构 的振动特性分析的唯一有效工具。 1 6 2 在实验测试分析方面 最突出的成果是随着计算机技术的飞速发展，快速傅立叶变换技术( f f t ) 得到了广泛的使用。使用在傅立叶变换技术基础上研制的各种动态信号分析仪， 可以快速地测定机械结构的振动，对测定的振动信号进行频谱分析，快速地测定 机械结构的频率响应函数。由于快速傅立叶变换技术的应用，近年来，实验模态 分析技术得到了广泛使用，进行模态分析，可以确定机械结构的模态参数，模态 振型可以形象地直观显示机械结构共振时的振动变形情况，模态分析技术使得设 计人员可以从更高更深入的角度去理解结构振动问题。在模态分析的基础上还可 以进行机械结构的修改设计分析。产生了集理论、实验技术、计算机技术于一身 的模态分析技术，模态分析的概念出现得比较早，仅是由于f f t 分析仪的出现， 才使模态分析的进行成为可能。模态分析的使用，使得机械结构的改进有了强大 的高效的工具，人们有可能在短时间内完成结构性能的改进实验。目前商品化的 有限元软件有：s a p ，a n s y s ，n a s t r a n 等，这些软件已经在微型机上得到了很好 地应用，可以用来进行各种结构的动态分析计算。a n s y s 程序是一个功能强大的 灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限 元商用分析软件，在产品设计中用户可使用a n s y s 有限元软件对产品性能进行仿 真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。a n s y s 软件能与大多数c a d 软件实现数据共享与交换，如p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、 a l o g o r 、i d e a s 和a u t o c a d 等，它是现代产品设计中高级的c a d c a e 软件之一。 有限元分析技术和实验模态分析技术的结合使得机械结构动态分析技术发 展到了一个崭新的阶段，使得人们能够在产品的结构设计阶段就预测产品的动态 特性，利用计算机辅助设计的手段进行结构动态优化设计，产品的结构设计真正 步入了新阶段。 有限元分析技术与测试分析技术结合，就可以从理论分析的角度对印刷机的 结构进行有限元数值模拟分析，对该系统进行静动态特性分析和振动特性分析， 北京工业大学工程硕士学位论文 从而为胶印机的改进与优化提供有效的理论依据。 1 7 研究的理论与分析工具 1 7 1 噪声与振动控制理论 人类的生存伴随着各种各样的声音。杂乱无章，听起来不和谐的声音称为 噪声。噪声污染是一个全世界都十分关注的环境问题，过量的噪声对人的生理 和心理都有影响，长期暴露在高噪声环境下对人的听力和身体健康将造成严重 危害，噪声给人类带来的危害引起了世界各工业国家的普遍重视，从6 0 年代 起，就积极开展了噪声治理工作。各国先后设置了防治噪声的机构。同时制定 出环境噪声法规。中国作为一个经济快速增长的发展中国家，噪声控制是一项 非常重要的工作“1 。“1 。 1 7 1 1 胶印机产生的振动胶印机工作时存在各种各样的振动，如印刷时胶印 机外界传来的冲击力、胶印机传动系统本身产生的冲击力会引起结构的自由振 动；胶印机滚筒及其它旋转件的不平衡产生的离心惯性力、递纸机构往复运动件 产生的惯性力、齿轮轴承产生的周期性冲击力等都会引起结构的强迫振动，胶印 机工作时也可能存在某种自激振动，总之，胶印机的振动和其结构一样是复杂的。 1 7 1 2 提高机械结构抗振性的途径通过单自由度系统的强迫振动的解，我们 可以得出提高机械结构抗振性的措施，就是要减小振动的幅值，分析特解幅值表 达式： f ， i x l 2 而精2 而丽x o ( 1 _ 式中l x l 振幅； f 一激励力振幅； 詹一刚度； 办等效静位移； ，2 。一频率比； 芒阻尼比； 驴一激励力频率； l o 第1 章绪论 。结构的固有频率。 可推出如下结论： 振幅的大小与激励力的幅值成正比，因此，减小激励力的幅值只就可以 减小振动。 振幅的大小与静刚度成反比，提高结构的静刚度，就可以减小振动。 振幅的大小与激励力的频率有关，在激励力的频率与机械结构的固有频率 相同，即频率比r = l 时，就发生共振，共振时，很小的激励力就可以引起很大的 振动。因此，避免共振是提高结构抗振性的主要措施之一。 振幅的大小与阻尼系数、阻尼比的大小成反比，增加结构的阻尼可以减小 振幅。 提高机械结构的动刚度。 当频率比r = l 时，幅值 挑幺：旦：旦( 1 2 ) 2 善 2 k 考。 通常，称激励力幅值与振幅之比为动刚度心，结构的动刚度愈高表示结构 抵抗强迫振动的能力愈好。 动刚度可以表示为： k a = e k e = 0 9 。c ( 卜3 ) 式中t 。动刚度，表示单位变形结构所承受的作用力的大小； r 阻尼系数。 由式( 卜3 ) 可以看出，提高动刚度的措施可以归结为：提高静刚度k ；提 高结构的阻尼比；提高结构的固有频率，由于。= 七，聊( 式中1 质量) ， 因此，提高机械结构的固有频率就是提高结构的刚度质量比。 因为动刚度与固有频率成正比，因此，工程上，经常把结构固有频率的大 小，作为衡量结构抗振性好坏的主要指标。如果固有频率提高了1 0 就意味着 强迫振动的振幅减少了1 0 ，结构的抗振性提高了1 0 ，动刚度提高了1 0 。我 们在进行胶印机结构的抗振性分析时就是用胶印机的结构固有频率作为评价 结构抗振性的主要指标。 1713 多自由度系统的强迫振动像胶印机这样结构复杂的机械系统，仅简化 北京工业人学工程硕上学位论文 成一个单自由度或两自由度系统的理论模型，是不能满足动态特性分析要求的。 根据其实际情况，必须作进一步的分析。事实上，所有机械系统都是一个无限多 自由度的系统( 或连续系统，分布参数系统) 。在许多情况下，质量、弹性和阻尼 的分布是很不均匀的。如有些元件( 胶印机的滚筒) 或元件的某些部分有着很大 的质量并十分刚强，而有些元件或部分具有较少的质量并比较柔软。据结构特点 和分析要求，把有些元件或其部分简化成质量，而把有些元件或其部分简化成弹 簧，用有限个质量、弹簧阻尼去形成一个离散的、有限多的集中参数系统，这样 就得到一个简化的模型。显然，不同的情况有不同的模型，但都属于多自由度系 统。多自由度系统是对连续系统在空间上的离散化和逼近。由于电子计算机的广 泛应用，有限元分析和实验模态分析技术的发展，多自由度系统的理论和分析方 法显得十分重要，可以去解决更复杂的实际问题，模态分析是进行结构抗振性设 计的重要工具，近年来在工程设计中得到了广泛的应用。 1 7 1 4 噪声与振动控制的措施噪声控制方法：在任何噪声环境中，声源发出噪 声并向外界辐射，噪声源、传播途径和接收者3 个环节是噪声控制中必须考虑的， 相应的措施有：声源控制，传播途径中的控制，对接收者的保护。振动控制 方法：环境中存在着各种各样的振动现象。振动会发声，振动和噪声之间有着必 然的联系，一般说，减小振动就可以降低噪声，现广泛采用的方法如下：振动 源振动的控制，即消振：消除或减弱振源，这是最彻底和最有效的办法，隔振 【1 2 ，1 们 1 7 2 有限元及有限元分析软件一a n s y s 人们从上世纪6 0 年代初就丌始开发有限元分析程序，到7 0 年代初期才形成 有效的c a e 软件，近2 0 年是有限元c a e 软件商品化的发展阶段，c a e 开发商为 满足市场需求，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大 幅度的改进与扩充。“有限元”方法经历了四十多年的发展历史，在工程上得到 了广泛的应用，其理论和算法都已r 趋完善。目前流行的有限元c a e 分析软件主 要有n a s t r a n 、a d i n a 、a n s y s 、a b a o u s 、m a r c 、c o s m o s 等。a n s y s 软件致力于 耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已成为最受 用户欢迎的软件之一，有限元软件己成为工程设计中不可缺少的重要工具。随着 计算机技术的普及和应用，有限元分析已经成为解决复杂的工程分析计算问题的 有效途径”。”1 。 北京工业大学工程硕士学位论文 第2 章印刷机的噪声测试分析 2 1b e i r e n 3 0 0 噪声测试分析 2 1 1 噪声声压级测定 ( 1 ) 噪声声压级测试的目的测定b e i r e n 3 0 0 胶印机噪声声压级，确定主要发 声部位。 ( 2 ) 测试系统框图如图2 一l 所示，主要测试仪器有传声器1 、d n 2 精密声级 计2 ，精密声级计用三脚架3 支撑，测试中移动三脚架以便把传声器安装到指定 测点位置。传声器安装：垂直于机器轮廓表面，距离1 米，距地面高度为1 5 米。测试前d n 2 精密声级计经过标定。 i 2 幽2 - 1 测试系统框图 ( 3 ) 测试环境测试在深夜安静的时候进行，车间没有其它机器开动。环境( 本 底) 噪声低于6 5 d b ( a ) 。各测点测试噪声声压级在7 4 d b ( a ) 以上，环境噪声对测试 结果影响很小。 ( 4 ) 测点布置在胶印机周边共布置了1 6 个测点，测点编号见图2 2 所示，各 测点距机器轮廓表面1 米，高度1 5 米。 1 4 测 第2 章印刷机的噪声测试分析 图2 - 2 测点布置图 f i g u r e2 - 2m e a s u r i n gp o i n t sd i s p o s i n gf i g u r e ( 5 ) 声压级测试记录 表2 - 1 噪声声压级记录d b ( a ) t a b l e2 - 1n o i s es o u n dp m s s u r el e v e lr e c o r d a t i o nd b ( a ) 印刷速度( 张小时) 测点号 4 0 0 0 8 0 0 0 1 2 0 0 01 5 0 0 0 17 88 18 38 7 27 68 18 4 59 0 37 48 08 5 59 2 47 48 08 5 量9 2 57 48 1 8 5 59 2 67 68 0 8 5 5 9 1 5 77 67 98 3 58 7 5 87 68 08 3 58 7 97 78 08 2 58 6 5 1 07 58 18 4 59 0 1 17 68 08 5 59 0 1 27 78 l8 69 0 5 1 3 8 08 2 5 8 6 5 9 0 5 1 48 28 3 58 5 59 0 1 57 57 98 3 59 0 1 6 7 57 9 8 3 58 8 ( 6 ) 声压级测试的分析结论根据以上测试结果，我们画出如图2 3 所示的噪 1 5 北京工业火学工程硕士学位论文 声声压级分布曲线图。图中上边的折线图表示传动面一侧各测点的噪声声压级分 布情况，下边的折线图表示操作面一侧各测点的噪声声压级分布情况。从测试结 果和图2 - 3 可以得出如下结论： b e i r e n 3 0 0 的最大噪声声压级为9 2 d b ( a ) 。 机器传动面一侧的噪声比操作面一侧的噪声小1 - - 2 d b ( a ) ，机器的最大噪 声部位在操作面一侧的1 、2 、3 印刷单元位置( 测点3 、4 、5 ) 。 噪声随印刷速度的提高而提高，在低于1 0 0 0 0 张小时的速度下印刷时， 最大噪声低于8 5 d b ( a ) 。 收纸单元和上纸单元机器外侧位置测定的噪声声压级相对较小，在 1 2 0 0 0 1 5 0 0 0 张d , 时印刷时比整机最大噪声声压级低2 - - 6 d b ( a ) 。 2 1 2 主要发声部位噪声频谱分析 ( 1 ) 噪声频谱分析测试的目的了解b e i r e n 3 0 0 胶印机主要发声部位噪声的 频谱分布情况，为分析噪声产生原因和降嗓设计提供依据。 ( 2 ) 测试系统框图如图2 4 所示，主要测试仪器有传声器1 、d n 2 精密声级 计3 、h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪4 等。 ( 3 ) 测试环境测试在深夜安静的时候进行，车间没有其它机器开动。环境( 本 底) 噪声5 4 d b ( a ) 。 ( 4 ) 测点布置在胶印机周边共布置了5 个测点，分别为测点1 、3 、4 、8 、 1 3 ( 见图2 5 ) ，各测点距机器轮廓表面1 米，高度1 5 米。 ( 5 ) 各测点的倍频程频谱分析图及分析结论见图2 - 6 一图2 一l o 给出了选定 的5 个测点上，在8 0 0 0 、1 2 0 0 0 、1 5 0 0 0 张d , 时3 种印刷速度下噪声的倍频程分 析图谱，图谱根据测试记录数据绘制。见图2 - 6 一图2 1 0 倍频程图谱可以得出 b e i r e n 3 0 0 胶印机的噪声频率特性的一些特点： b e i r